大氣甲烷排放源研究進(jìn)展

李紅軍，唐俊紅

(1.杭州電子科技大學(xué)管理學(xué)院，浙江 杭州310018;2.杭州電子科技大學(xué)材料與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州310018)

0 引 言

甲烷(CH4)是僅次于二氧化碳的重要溫室氣體，在溫室效應(yīng)和臭氧層的化學(xué)破壞過程中扮演重要的角色。根據(jù)2007年IPCC(政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì))第4次評(píng)估報(bào)告，以平均持續(xù)存留時(shí)間為100年計(jì)算，甲烷在大氣中持續(xù)時(shí)間約為8.4年，其溫室效應(yīng)為二氧化碳的25倍[1]。近年來大氣甲烷的增長率有所下降，這可能與甲烷的源匯不均衡有關(guān)。筆者經(jīng)過查閱大量的文獻(xiàn)資料，系統(tǒng)歸納整理了目前已知的甲烷源，并對(duì)排放數(shù)據(jù)進(jìn)行了更新。

1 甲烷源

甲烷根據(jù)其來源可分為人為甲烷源和天然甲烷源。本文主要從其來源分類展開綜述。

1.1 人為源甲烷

人為甲烷源包括稻田甲烷、化石燃料甲烷、垃圾堆填甲烷、畜牧甲烷。稻田甲烷排放量約在40 60 Tg/y[2-3]，是主要排放源之一。隨著人口的增長，人類對(duì)糧食的需求量增加，預(yù)計(jì)2025年，稻田甲烷排放量將增加20 Tg/y[2]。因此，稻田甲烷排放是極為重要的人為源。

化石甲烷:化石燃料(包括煤礦、天然氣等)的開采、生產(chǎn)、輸送、分配以及使用過程中都會(huì)產(chǎn)生甲烷泄露，形成大氣甲烷。美國環(huán)保局調(diào)查全球燃煤生產(chǎn)循環(huán)中可作為燃料利用的甲烷不足21.8 Tg/y[3]。全球天然氣甲烷泄漏為28 Tg/y，能源利用過程中排放甲烷達(dá)75 Tg/y[3]。

垃圾堆填甲烷:垃圾填埋場提供了厭氧環(huán)境和有機(jī)物，產(chǎn)甲烷菌在該環(huán)境下分解有機(jī)物產(chǎn)生甲烷，填埋場的甲烷的釋放受溫度、濕度、pH、有機(jī)物成分及數(shù)量等很多環(huán)境因素的影響。全球垃圾填埋場甲烷釋放通量范圍為10 70 Tg/y，約占全球總排放量的8%左右[4]。

畜牧甲烷:產(chǎn)生于反芻動(dòng)物腸胃中微生物對(duì)食物的厭氧發(fā)酵。聯(lián)合國糧農(nóng)組織2006年報(bào)告《牲畜的巨大陰影:環(huán)境問題與選擇》指出:畜牧業(yè)甲烷占人類活動(dòng)甲烷總量的37%[5]。

1.2 天然源甲烷

天然甲烷源甲烷的釋放不受人類活動(dòng)的影響，主要包括濕地、白蟻、海洋、地質(zhì)甲烷。地質(zhì)甲烷是近年來在IPCC(2007)評(píng)估報(bào)告中被明確為新型天然甲烷源，是僅次于濕地的第二大甲烷天然源，已經(jīng)成為國際研究的重點(diǎn)[3]，本文將在第2 節(jié)中予以詳述。

濕地甲烷:濕地具有很高的生產(chǎn)力及氧化還原能力，是極為重要的生物地球化學(xué)場地[6]。IPCC 第4次評(píng)估濕地的甲烷排放量約為110 Tg/y，占全球的20% 39%，且濕地甲烷的排放受植物種類與氣候變化影響明顯，每年其排放量將增加0.08 Tg/y，為最大的甲烷天然源[6]。

白蟻甲烷:白蟻腸道內(nèi)的原生動(dòng)物在分解纖維素時(shí)產(chǎn)生甲烷，并從體內(nèi)排出。最新調(diào)查顯示熱帶雨林和草原的白蟻釋放量達(dá)15 20 Tg/y，并以每年1% 2%的速度遞增[7]。白蟻種類多、數(shù)量大、分布廣，加之繁殖速度快、排泄甲烷能力強(qiáng)，其對(duì)全球增溫的影響不可忽視。

海洋甲烷:傳統(tǒng)意義的海洋甲烷(區(qū)別于地質(zhì)海洋排放甲烷)是指存在于海洋深處的甲烷水合物，其在不同水環(huán)境中體現(xiàn)形式不同，深海區(qū)大陸棚邊緣水深500 3 000 m 海域處通常以甲烷冰形式存在[3]。甲烷水合物具有巨大的甲烷排放潛力，保守估計(jì)其甲烷釋放量為5 Tg/y[8]。研究得出其海洋總儲(chǔ)量達(dá)到4×106Tg，數(shù)量受海底溫度影響極大，如果海底水溫升高3 ℃，其數(shù)量將會(huì)將少85%。甲烷冰對(duì)于大氣的反饋釋放將隨著時(shí)間的變化而不同[8]。

2 地質(zhì)甲烷

2007年第4次IPCC全球氣候變化溫室氣體評(píng)估報(bào)告中首次確認(rèn)地質(zhì)甲烷為僅次于濕地的第二大天然甲烷源，其主要來源包括含油氣沉積盆地微滲漏甲烷、陸地和海底泥火山釋放甲烷、海底滲漏的甲烷以及地?zé)?火山巖漿系統(tǒng)釋放的甲烷[3]，全球地質(zhì)甲烷釋放通量約為40 60 Tg/y[8]。此外，最新研究發(fā)現(xiàn)蛇紋石在低溫環(huán)境也存在甲烷釋放[9]。地質(zhì)成因甲烷源在大氣甲烷估算中起著非常重要的作用。

2.1 含油氣沉積盆地甲烷微滲漏

含油氣沉積盆地的甲烷可分為生物成因甲烷和熱成因甲烷。生物成因甲烷伴隨著沉積有機(jī)物降解產(chǎn)生，而熱成因甲烷是地下深處的沉積地層有機(jī)物產(chǎn)生熱裂解而形成?；谌蛞阎蜌馀璧丶淄橥繑?shù)據(jù)庫估算，其微滲漏甲烷通量約為14 28 Tg/y[10]，含油氣盆地微滲漏在大氣甲烷的源匯過程中起著不可忽視的作用。

2.2 泥火山甲烷的釋放

泥火山甲烷釋放主要表現(xiàn)形式為宏滲漏，泥火山在形成以及后期活動(dòng)期間伴隨有機(jī)質(zhì)熱解產(chǎn)生大量的烴類氣體，主要成分為甲烷，其體積分?jǐn)?shù)可高達(dá)99%。基于研究假設(shè)全球休眠期泥火山甲烷釋放通量為0.33 2.64 Tg/y，并且全球泥火山年噴發(fā)數(shù)為40，每座泥火山甲烷釋放通量為0.25 Tg/y，則全球泥火山甲烷釋放通量10 Tg/y?；鹕叫菝咂诤突顒?dòng)期甲烷釋放總量為10.33 12.64 Tg/y[11]。這些估算是以大量的假設(shè)為基礎(chǔ)，因此存在著較大的不確定性。

2.3 地?zé)?火山巖漿系統(tǒng)甲烷的釋放

地?zé)?火山巖漿系統(tǒng)釋放的甲烷包含生物成因甲烷(主要釋放形式)和非生物成因甲烷，生物成因甲烷主要是由有機(jī)物的微生物降解或熱裂解形成，非生物成因甲烷為非生物合成甲烷和地幔脫氣甲烷，非生物合成通過Fischer-Tropsch 反應(yīng)生成:CO2+4H2＝CH4+2H2O。該反應(yīng)平衡由地?zé)?火山巖漿系統(tǒng)的CO2體積分?jǐn)?shù)和溫度決定[3，12]。

地?zé)?火山巖漿系統(tǒng)甲烷的排放形式在陸地上表現(xiàn)為漫漏和噴氣，海洋則呈現(xiàn)噴氣。根據(jù)研究估算陸地地?zé)?火山巖漿系統(tǒng)甲烷漫漏通量為2.47 Tg/y[3，13];噴氣甲烷比例很低，通常在0.01% 1%，全球陸地地?zé)峒淄?漫漏和氣噴口)通量估計(jì)在2.5 6.3 Tg/y[14]。

2.4 海洋地質(zhì)甲烷的釋放

海洋地質(zhì)甲烷(熱成因甲烷)不同于傳統(tǒng)意義上的海洋甲烷(甲烷冰)，其在沉積物與海水的交界面處，以氣泡柱或氣泡串的方式滲漏而進(jìn)入海水中，并在海水中溶解氧化，其中未被溶解氧化的甲烷氣泡上升至海平面，通過水圈和大氣圈的交換而釋放到大氣中。主要包括海洋泥火山(宏滲漏)、海洋氣噴口噴氣、海底滲漏[3]。

海洋泥火山基本上處于海洋邊緣活動(dòng)板塊和大陸封閉斜坡或者內(nèi)陸海的深海平原上，估算深海泥火山甲烷累積釋放量已達(dá)到70 7×103Tg[15]。全球海洋滲漏甲烷釋放通量為8 65 Tg/y 或18 48 Tg/y[15-16]。全球海洋滲漏面積的不確定性使得無法得出精確的釋放通量。

2.5 甲烷源強(qiáng)匯總

通過對(duì)天然甲烷源與人為甲烷源的分類描述與統(tǒng)計(jì)，得出分布數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 自然界甲烷來源及其源強(qiáng)分布

2.6 雅克拉凝析氣田甲烷微滲漏監(jiān)測實(shí)例

我們首次在國內(nèi)采用靜態(tài)箱法實(shí)地監(jiān)測了新疆塔里木盆地雅克拉凝析氣田甲烷微滲漏。研究證明:由于地質(zhì)構(gòu)造、油氣藏控制因素的復(fù)雜性，地下深處油氣藏?zé)N類氣體分布具有明顯的區(qū)域性、不均勻性以及油氣向上運(yùn)移的方式和數(shù)量的差異性，從而使得不同地質(zhì)單元甲烷微滲漏特點(diǎn)不同，斷層區(qū)滲漏率最高;不同季節(jié)甲烷滲漏速率不同，一般冬天大于春天，同時(shí)遠(yuǎn)大于夏天。估算雅克拉凝析氣田甲烷微滲漏在102t/y 數(shù)量級(jí)。該項(xiàng)成果已被并入全球甲烷微滲漏數(shù)據(jù)庫，為全球微滲漏甲烷釋放通量數(shù)據(jù)庫提供了重要的補(bǔ)充[17]。

3 結(jié)束語

全球甲烷源預(yù)算是建立在區(qū)域性甲烷通量監(jiān)測基礎(chǔ)上，由于時(shí)間、空間以及環(huán)境因子對(duì)甲烷排放的影響，使其呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性、不均勻性和高度的時(shí)空變化性，從而造成甲烷源匯預(yù)算存在一定的不確定性。隨著科技的不斷進(jìn)步，應(yīng)用在甲烷源匯預(yù)算上的技術(shù)日新月異，例如遙感技術(shù)的應(yīng)用等，從而可以獲得甲烷源匯更為準(zhǔn)確的分布和精確的數(shù)據(jù)。

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